Aerodynamikhandbok

De viktigaste faktorerna som påverkar fordonets luftmotstånd

Lågt luftmotstånd hjälper till att minska bränsleförbrukningen. Men i detta avseende finns det enormt utrymme för utveckling. Om aerodynamiksexperter naturligtvis håller med konstruktörernas åsikt.

"Aerodynamik för de som inte kan göra motorcyklar." Dessa ord talades av Enzo Ferrari på sextiotalet och visar tydligt attityden hos många tiders designers mot denna teknologiska sida av bilen. Det var dock bara tio år senare att den första oljekrisen inträffade, som radikalt förändrade hela deras värdesystem. Tider då alla motståndskrafter under bilens rörelse, och särskilt de som uppstår när den passerar genom luftlagren, övervinns av omfattande tekniska lösningar, som att öka motorernas förskjutning och effekt, oavsett mängden bränsle som förbrukas, de försvinner och ingenjörer börjar titta effektivare sätt att uppnå dina mål.

För närvarande täcks den tekniska faktorn av aerodynamik med ett tjockt lager glömdamm, men för designers är det inte nyheter. Teknikens historia visar att avancerade och uppfinningsrika sinnen som tyska Edmund Rumpler och ungern Paul Zharai (som skapade den ikoniska Tatra T77) även på XNUMX-talet formade strömlinjeformade ytor och lade grunden för en aerodynamisk inställning till karossdesign. De följdes av en andra våg av aerodynamikspecialister som baron Reinhard von Könich-Faxenfeld och Wunibald Kam, som utvecklade sina idéer i XNUMX.

Det är uppenbart för alla att med ökande hastighet kommer en gräns, över vilken luftmotståndet blir en kritisk faktor för att köra bil. Att skapa aerodynamiskt optimerade former kan skjuta upp denna gräns avsevärt och uttrycks av den så kallade flödesfaktorn Cx, eftersom ett värde på 1,05 har en kub inverterad vinkelrätt mot luftflödet (om den roteras 45 grader längs sin axel, så att den uppströms kanten minskar till 0,80). Denna koefficient är dock bara en del av luftmotståndsekvationen - du måste lägga till storleken på bilens frontyta (A) som ett viktigt element. Den första av uppgifterna för aerodynamiker är att skapa rena, aerodynamiskt effektiva ytor (som vi kommer att se, mycket i en bil), vilket i slutändan leder till en lägre flödeskoefficient. För att mäta det senare krävs en vindtunnel, vilket är en dyr och extremt komplex struktur – ett exempel på detta är tunneln som togs i bruk 2009. BMW, som kostade företaget 170 miljoner euro. Den viktigaste komponenten i den är inte en gigantisk fläkt, som förbrukar så mycket el att den behöver en separat transformatorstation, utan ett noggrant rullstativ som mäter alla krafter och moment som en luftstråle utövar på en bil. Hans uppgift är att utvärdera hela bilens interaktion med luftflödet och hjälpa specialister att studera varje detalj och ändra den så att den inte bara är effektiv i luftflödet utan också i enlighet med designernas önskemål. . I grund och botten kommer de viktigaste dragkomponenterna en bil möter från när luften framför den komprimeras och växlar, och – mycket viktigt – från den intensiva turbulensen bakom den baktill. Det finns en lågtryckszon som tenderar att dra bilen, som i sin tur blandas med en kraftig virveleffekt, som aerodynamiker också kallar "död excitation". Av logiska skäl, efter kombimodellerna, är vakuumnivån högre, vilket gör att förbrukningskoefficienten försämras.

Aerodynamiska dragfaktorer

Det senare beror inte bara på faktorer som bilens övergripande form, utan också på specifika delar och ytor. I praktiken står den övergripande formen och proportionerna hos moderna bilar för 40 procent av det totala luftmotståndet, varav en fjärdedel bestäms av objektets ytstruktur och egenskaper som speglar, lampor, registreringsskylt och antenn. 10 % av luftmotståndet beror på flödet genom ventilerna till bromsar, motor och transmission. 20 % är resultatet av vortex i olika golv- och upphängningsdesigner, det vill säga allt som händer under bilen. Och det som är mest intressant - 30% av luftmotståndet beror på virvlarna som skapas runt hjulen och vingarna. En praktisk demonstration av detta fenomen visar tydligt detta - flödeshastigheten från 0,28 per fordon sjunker till 0,18 när hjulen tas bort och fenderventilerna stängs. Det är ingen slump att alla bilar med förvånansvärt låg körsträcka – som den första Insight of Honda och elbilen GM EV1 – har dolda bakskärmar. Den övergripande aerodynamiska formen och den stängda fronten, på grund av det faktum att elmotorn inte kräver mycket kylluft, gjorde det möjligt för GM-designers att utveckla EV1-modellen med en flödesfaktor på bara 0,195. Tesla Model 3 har Cx 0,21. För att minska virveln hos hjulen i fordon med förbränningsmotorer, den sk. "Luftridåer" i form av ett tunt vertikalt luftflöde riktat från öppningen i den främre stötfångaren, blåser runt hjulen och stabiliserar virvlarna, flödet till motorn begränsas av aerodynamiska fönsterluckor och botten är helt stängd.

Ju lägre värden på krafterna som mäts av rullstativet är, desto mindre Cx. Det mäts vanligtvis i en hastighet av 140 km/h – ett värde på 0,30 betyder till exempel att 30 procent av luften en bil passerar accelereras till sin hastighet. När det gäller framsidan kräver dess avläsning en mycket enklare procedur - för detta skisseras bilens yttre konturer med en laser när den ses framifrån och det slutna området i kvadratmeter beräknas. Den multipliceras sedan med flödesfaktorn för att få bilens totala luftmotstånd i kvadratmeter.

För att återgå till den historiska konturen av vår aerodynamiska berättelse, finner vi att skapandet av den standardiserade bränsleförbrukningsmätcykeln (NEFZ) 1996 faktiskt spelade en negativ roll i den aerodynamiska utvecklingen av bilar (som avancerat avsevärt under 7s). ) eftersom den aerodynamiska faktorn har liten effekt på grund av den korta perioden med höghastighetsrörelse. Trots minskningen av förbrukningskoefficienten under åren leder ökningen av dimensionerna på fordon av varje klass till en ökning av frontområdet och följaktligen till en ökning av luftmotståndet. Bilar som VW Golf, Opel Astra och BMW 90-serien hade högre luftmotstånd än sina föregångare på 90-talet. Denna trend underlättas av imponerande SUV-modeller med sin stora frontyta och försämrade strömlinjeformning. Denna typ av fordon har framför allt kritiserats för sin höga vikt, men i praktiken blir denna faktor mindre av en relativ betydelse vid ökande hastighet - vid körning utanför staden med en hastighet av ca 50 km/h är andelen luftmotstånd ca. 80 procent, vid motorvägshastigheter ökar den till XNUMX procent från det totala motståndet som bilen möter.

Aerodynamisk rör

Ett annat exempel på luftmotståndets roll i fordonsprestanda är en typisk Smart City-modell. En tvåsitsiga kan vara kvick och pigg på stadsgator, men dess korta och proportionella kaross är mycket ineffektivt ur aerodynamisk synvinkel. Mot bakgrund av låg vikt blir luftmotståndet ett allt viktigare element, och med Smart börjar det ha en stark effekt i hastigheter på 50 km / h. Det är inte förvånande att den trots den lätta designen inte levde upp till förväntningarna till en relativt låg kostnad.

Men trots Smarts brister är moderbolaget Mercedes inställning till aerodynamik ett exempel på ett metodiskt, konsekvent och proaktivt förhållningssätt till processen att skapa spektakulära former. Det kan hävdas att resultaten av investeringar i vindtunnlar och hårt arbete inom detta område är särskilt märkbara i detta företag. Ett särskilt slående exempel på effekten av denna process är det faktum att den nuvarande S-klassen (Cx 0,24) har mindre luftmotstånd än Golf VII (0,28). I jakten på mer inre utrymme har formen på den kompakta modellen fått en ganska stor frontyta, och flödeskoefficienten är sämre än för S-klassen på grund av dess kortare längd, vilket inte tillåter strömlinjeformade ytor och mycket Mer. - redan på grund av en skarp övergång bakifrån, vilket bidrar till bildandet av virvlar. VW står dock fast vid att nästa generations Golf kommer att få betydligt mindre luftmotstånd och sänkas och effektiviseras. Den lägsta registrerade bränsleförbrukningsfaktorn på 0,22 per ICE-fordon är Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Fördelen med elfordon

Ett annat exempel på betydelsen av aerodynamisk form kontra vikt är moderna hybridmodeller och ännu fler elektriska fordon. I fallet med Prius, till exempel, dikteras också behovet av en mycket aerodynamisk design av det faktum att när hastigheten ökar minskar effektiviteten hos hybridkraftverket dramatiskt. När det gäller elfordon är allt som är relaterat till ökningen av körsträcka i elläge extremt viktigt. Enligt experter kommer viktminskningen med 100 kg att öka bilens körsträcka med bara några kilometer, men å andra sidan är aerodynamik av yttersta vikt för en elbil.

För det första eftersom den höga massan hos dessa fordon tillåter dem att återvinna en del av den energi som används för återhämtning, och för det andra eftersom elmotorns höga vridmoment gör att du kan kompensera för vikteffekten vid start och dess effektivitet minskar vid höga och höga hastigheter. Dessutom behöver kraftelektroniken och elmotorn mindre kylluft, vilket möjliggör en mindre öppning i bilens front, vilket, som vi redan har noterat, är huvudorsaken till försämringen av flödet runt karossen. En annan del av motivationen hos designers att skapa mer aerodynamiskt effektiva former i dagens laddhybridmodeller är rörelsesättet utan acceleration endast med hjälp av en elmotor, eller den så kallade. segling. Till skillnad från segelbåtar, varifrån termen kommer och där vinden ska flytta båten, kommer elbilar att öka körsträckan om bilen har mindre luftmotstånd. Att skapa en aerodynamiskt optimerad form är det mest ekonomiska sättet att minska bränsleförbrukningen.

Text: Georgy Kolev

Förbrukningskoefficienterna för några kända bilar:

Mercedes Simplex

1904 produktion, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

1921 produktion, Cx = 0,28

Ford modell T

1927 produktion, Cx = 0,70

Experimentell modell Kam

1938 produktion, Cx = 0,36

Mercedes skivbil

1938 produktion, Cx = 0,12

VW-buss

1950 produktion, Cx = 0,44

VW "sköldpadda"

1951 produktion, Cx = 0,40

Panhard Dina

1954 produktion, Cx = 0,26

Porsche 356

1957 produktion, Cx = 0,36

Mg ex 181

1957 produktion, Cx = 0,15

Citroen DS 19

1963 produktion, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966 produktion, Cx = 0,38

Mercedes C 111

1970 produktion, Cx = 0,29

Volvo 245 Skåpbil

1975 produktion, Cx = 0,47

Audi 100

1983 produktion, Cx = 0,31

Mercedes W 124

1985 produktion, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

1997 produktion, Cx = 0,29